【正文】 機(jī)的有功與無功功率的解耦、轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)的解耦，使電機(jī)功率因數(shù)可調(diào)。針對非最佳葉尖速比時的兩種模態(tài)采用不同控制策略，設(shè)計出不依賴于具體風(fēng)電系統(tǒng)特性的最大風(fēng)能捕獲控制器，可用于多種類型的風(fēng)能系統(tǒng)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性控制1. 偏航控制抑制塔身扭矩和震顫通過偏航機(jī)構(gòu)的連續(xù)控制，可有效降低結(jié)構(gòu)性動態(tài)負(fù)載振蕩。通過模擬結(jié)構(gòu)性負(fù)載，應(yīng)力確實(shí)減少，且改善了靜態(tài)輸出功率和功率品質(zhì)。該模型可用于設(shè)計和評價風(fēng)機(jī)速度調(diào)節(jié)的各類線性、非線性控制方案。三相異步發(fā)電機(jī)既可以孤立運(yùn)行，也可以聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。小型定子鐵心用硅鋼片疊裝，壓緊成為一個整體后，固定在機(jī)座內(nèi)；中型和大型定子鐵心有扇形沖片拼成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主次路的一部分，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。與籠型轉(zhuǎn)子相比較，繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，價格稍貴，因此只在要求起動電流小，起動轉(zhuǎn)距大，或需要調(diào)速的場合下使用。由于轉(zhuǎn)子繞組是短路的，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中便有電流流過。但由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向變，故對轉(zhuǎn)子而言，此電磁轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動轉(zhuǎn)矩。[1] 三相異步發(fā)電機(jī)和三相異步電動機(jī)的差異[2]從理論上說異步發(fā)電機(jī)和異步電動機(jī)只是異步電機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)，前者將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，后者將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。同時由于發(fā)電機(jī)額定電壓比電動機(jī)額定電壓高，更加重了發(fā)電狀態(tài)的滿載電勢。 異步電機(jī)向量圖 三相異步發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求及額定數(shù)據(jù)參考異步電動機(jī)的電磁計算程序確定電機(jī)的電磁負(fù)荷，計算定子、轉(zhuǎn)子沖片和鐵心各部分尺寸及繞組數(shù)據(jù)，進(jìn)而核算電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)及性能，并對設(shè)計數(shù)據(jù)做必要的調(diào)整，直到達(dá)到要求。49. 漏抗系數(shù) ==50. 定子槽比漏磁導(dǎo) =＋＝51. 定子槽漏抗 ＝ 無徑向通風(fēng)時 ＝ m52. 定子諧波漏抗 ＝53. 定子端部漏抗 單層交叉式 ＝54. 定子漏抗 ＝（＋＋）＝＝55. 轉(zhuǎn)子槽比漏磁導(dǎo) ＝（由手冊查出）。本次畢業(yè)設(shè)計的課題是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究,雖是單一課題但是它涉及的知識面非常廣，其中有許多以前不曾接觸過的東西。經(jīng)過這么久的設(shè)計，提高了我獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的能力。我感到很欣慰。也讓我懂得了科學(xué)是一門實(shí)實(shí)在在的學(xué)問。 三相異步發(fā)電機(jī)電磁計算程序 額定數(shù)據(jù)和主要尺寸1. 額定功率 ＝600 KW2. 額定電壓 =690 V ； V3. 功電流 = A4. 效率 5. 功率因數(shù) 6. 極對數(shù) ＝2 7. 定、轉(zhuǎn)子槽數(shù) ＝48 , ＝40 (取 ＝4 )8. 定、轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)：定子 ＝＝12轉(zhuǎn)子 ＝＝10 9. 定子外徑 由經(jīng)驗(yàn)公式可得2極小型電機(jī)滿載電勢標(biāo)么值 ＝計算功率 ＝ VA初選 ＝ ，＝ ，＝，＝46000 A/m , = T,假定=1450 r/： ＝ 取＝ 則 ＝ m = m根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸最后確定 ＝ m10. 定子內(nèi)徑 ＝ m 鐵心得有效長度 ＝ m 取鐵心長 ＝ m 11. 氣隙 由經(jīng)驗(yàn)公式 ＝ m12. 轉(zhuǎn)子外徑 ＝ m13. 轉(zhuǎn)子內(nèi)徑 ＝ m14. 鐵心長 ＝ m 鐵心有效長度（無徑向通風(fēng)道） ＝＋+=15. 定、轉(zhuǎn)子沖片尺寸（見圖附1）16. 極距 = m17. 定、轉(zhuǎn)子齒距：定子 ＝ m轉(zhuǎn)子 ＝ m18. 定子繞組采用單層繞組19. 轉(zhuǎn)子斜槽寬 （取一個定子齒距）于是 ＝ m20. 每相導(dǎo)體數(shù) =48 單層線圈＝每線圈匝數(shù)=321. 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) ＝48 每相串聯(lián)匝數(shù) ＝2422. 繞組線規(guī)設(shè)計 ＝ ＝ A23. 槽滿率 ： 初步?。?T 估計定子齒寬 ＝＝ m 初步取 ＝ T == = m （取 ） （）（1）槽面積 ＝ （）（2）槽絕緣占面積： 單層 ＝ （3）槽有效面積 ＝ （4）槽滿率 ＝ (符合要求)24. 繞組系數(shù) （1）分布系數(shù) ＝（2）短距系數(shù) ＝1 所以 ＝＝25. 每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù) ＝＝ 44 磁路計算26. 初設(shè) ＝，則： E1=KE′UNΦ=690=27. 計算每極磁通 初設(shè)飽和系數(shù) 查得 ＝＝ Wb 其中 ＝＝ V28. 每極齒部接截面積： 定子 ＝＝ 轉(zhuǎn)子 ＝＝ 29. 定子軛部計算高度 ＝＝ m轉(zhuǎn)子軛部計算高度 ＝＝ m 軛部導(dǎo)磁面積 ＝＝ ＝＝ 30. 空氣隙面積 ＝＝ 31. 波幅系數(shù) ＝＝ 氣隙磁密 ＝ T32. 定子齒磁密 ＝＝ T33. 轉(zhuǎn)子齒磁密 ＝= T34. 定子軛磁密 ＝ = T35. 轉(zhuǎn)子軛磁密 ＝= T36. 空氣隙磁密 ＝= T37. 根據(jù)D23曲線及 數(shù)據(jù)查出磁場強(qiáng)度(單位 ：)38. 軛部磁路計算長度 定子 ＝＝ m 轉(zhuǎn)子 ＝＝ m39. 有效氣隙長度 ＝ ＝ m 半閉口槽和半開口槽 ＝40. 齒部磁路計算長度 ＝ m ＝ m齒部磁壓降 定子 ＝= A 轉(zhuǎn)子 ＝= A41. 軛部磁壓降的計算 = =，= T；于是查得 ＝； ＝＝，＝ T；于是查得 = 定子 ＝= A 轉(zhuǎn)子 ＝= A42. 空氣隙磁壓降 ＝ =43. 飽和系數(shù) ＝ 與假設(shè)系數(shù)比較 ，誤差 ＝＝％ ％，合格。在異步電動機(jī)設(shè)計中，許多公式都是基于小作出的，并且的相位與電動機(jī)的狀況不同。第一：作為異步電動機(jī)運(yùn)行時，比大，而作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，和相近。這樣電壓質(zhì)量不高，不能滿足需要。 若由機(jī)械或其他外因使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)(n＜0),則轉(zhuǎn)差率s＞1。按照轉(zhuǎn)差率的正負(fù)和大小，異步電機(jī)有電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動三種運(yùn)行狀態(tài)。繞組型轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌有用絕緣導(dǎo)線組成的三相繞組，繞組的三個出線端接到設(shè)置的轉(zhuǎn)軸上的三個集電環(huán)上，在通過電刷引出。為了得到較好的電磁性能，中，大型異步電機(jī)都采用雙層短距繞組。定子鐵心是主磁路的一部分。這也將是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的出路所在。3. 最優(yōu)控制定槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用設(shè)計變速風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制器時，必須考慮湍流引起的非線性動態(tài)系統(tǒng)共振問題，尤其對于輕質(zhì)、柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。抑制塔身側(cè)彎及槳葉的震顫。在獲取希望的控制性能時，環(huán)與環(huán)之間的相互作用會產(chǎn)生很多困難。2. 控制風(fēng)力機(jī)槳距角實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制在一臺可變槳距、可偏航、可控負(fù)載的小型試驗(yàn)風(fēng)機(jī)中應(yīng)用兩個最優(yōu)控制器：一個在額定風(fēng)速以下時起作用，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能；另一個在額定風(fēng)速以上時控制功率或轉(zhuǎn)矩恒定。從目前的國內(nèi)外研究來看，雙饋或無刷雙饋發(fā)電機(jī)是一個較為理想的選擇．這類電機(jī)不僅可使功率變換器的容量降低為機(jī)組額定容量的20％ ～50％ ，而且對一個固定的功率或速度運(yùn)行點(diǎn)，可調(diào)節(jié)電機(jī)上功率繞組和控制繞組間的功率流向，降低損耗。性能指標(biāo)： （）其中：為終端時間；為終端狀態(tài)；由此最優(yōu)控制問題可表述為：求一允許控制使：系統(tǒng)由初始狀態(tài))出發(fā)在時間間隔內(nèi)，到達(dá)目標(biāo)集，并使性能指標(biāo)為最小。 風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理一臺風(fēng)輪半徑為的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速下運(yùn)行時，它所產(chǎn)生的機(jī)械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風(fēng)力機(jī)的輸出功率系數(shù)（一般Cp=1/3～2/5，最大可達(dá)16/27=）——風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，——風(fēng)速， 從(1)式可以看出在一定的風(fēng)速下， 值越大，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率就越高。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 SMES 系統(tǒng)方框圖 （） （） （） （）由()、（）、（）、（） 式和（）可知超導(dǎo)儲能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機(jī)滑差的變化Δs 和發(fā)電機(jī)出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號, 使輸出到母線上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，從而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。強(qiáng)制換向變換器是基于晶閘管的半導(dǎo)體開關(guān),能使超導(dǎo)儲能（SMES）單元發(fā)出或吸收有功和無功功率。研究表明系統(tǒng)參數(shù)中受風(fēng)速變化影響的依次是發(fā)電機(jī)電流、整流器電流、電池電流。3) 高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓這種方法不但控制簡單，而且也避免了使用工頻變壓器。3. 逆變電路的選擇策略1) 直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，控制也比較容易。調(diào)整開關(guān)濾波脈沖控制電路ＵｉＵ０ 　斬波型開關(guān)穩(wěn)壓器方框圖3) 所謂隔離型開關(guān)電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器，由磁場的變化實(shí)現(xiàn)能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。電路簡化。2) 各種整流電路優(yōu)缺點(diǎn)的比較a) 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)是：簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。4. 效率隨速度的變化在額定速度之上時，雙輸出異步發(fā)電的效率比普通異步發(fā)電機(jī)的效率高，這是因?yàn)樵诔竭\(yùn)行時，由于發(fā)電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)速提高，所以電機(jī)的輸出功率提高，同時因?yàn)殂~耗、鐵耗基本保持不變，所以電機(jī)的效率也得到提高。有功功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)子速度的變化轉(zhuǎn)子速度增加時，異步發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率也增加，直到它達(dá)到最大值為止，然后再下降（也就是電機(jī)失步）?？刂颇孀兤鞯哪孀兘?，就可以改變逆變器的電壓。利用兩臺發(fā)電機(jī)無疑會增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設(shè)備的成本，增加折舊的運(yùn)行費(fèi)用。本系統(tǒng)選用雙輸出異步發(fā)電機(jī),其性能及優(yōu)越性如下：異步發(fā)電機(jī)一直是風(fēng)能系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榘旬惒桨l(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。為了闡明充分利用風(fēng)輪機(jī)獲取風(fēng)能、使發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪機(jī)達(dá)到最佳配合的方法,下面對風(fēng)能機(jī)的功率特性做簡要的分析說明。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無關(guān)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有以下共同的優(yōu)點(diǎn)：1) 最大限度的捕捉風(fēng)能。這種電機(jī)轉(zhuǎn)子類似鼠籠型轉(zhuǎn)子，定子類似單繞組雙速感應(yīng)電機(jī)的定子，有6個出線端，其中3個直接與三相電網(wǎng)相連，其余3個則通過電力變換裝置與電網(wǎng)相聯(lián)。當(dāng)風(fēng)速變化時轉(zhuǎn)速n2隨之而變化。它的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以使風(fēng)力機(jī)在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運(yùn)行，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風(fēng)力機(jī)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，只需采取適當(dāng)?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運(yùn)行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風(fēng)力機(jī)機(jī)械部分的造價，并能提高運(yùn)行可靠性。[9]1. 同步發(fā)電機(jī)交流/直流/交流系統(tǒng) 其中同步發(fā)電機(jī)可隨風(fēng)輪變速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生頻率變化的電功率，電壓可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的勵磁電流來進(jìn)行控制。雙速單繞組極幅調(diào)制感應(yīng)發(fā)電機(jī)可以得到與雙繞組雙速發(fā)電機(jī)極不相同的性能，但重量輕、體積小，因而造價也較低，它的效率與單速發(fā)動機(jī)大致相同。1. 采用多臺不同轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī) 通常是采用兩臺轉(zhuǎn)速、功率不同的感應(yīng)發(fā)電機(jī)，在某一時間內(nèi)只有一臺被聯(lián)到電網(wǎng)，傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計使發(fā)動機(jī)在兩章風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下運(yùn)行在稍貴有各自的頭部轉(zhuǎn)速。此外，這種風(fēng)力機(jī)在結(jié)構(gòu)上和實(shí)用中還有很多優(yōu)越性。轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，呈圓筒形。其輸出聯(lián)接到鄰近的三相電網(wǎng)或輸配電線。 目前得到廣泛應(yīng)用的主要有恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)和變速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在規(guī)劃較大的海上風(fēng)電場項(xiàng)目。地處平坦地帶的風(fēng)力機(jī)。目前最長的葉片以做到50m。1986年在新疆達(dá)坂城安裝了１臺100KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，1989年又安裝了13臺1